JPH06501748A - セリウムで媒介した間接的な電気合成 - Google Patents

セリウムで媒介した間接的な電気合成

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 セ■ウムで した日 ・な ム 肢」L頒困 本発明は、セリウム(IV)イオンを用いて芳香族及びアルキル置換芳香族化合 物の酸化を経てカルボニル含有化合物の間接電気合成に関する。特に、本発明は ナフタレンのような開始材料からナフトキノンのようなカルボニル含有化合物の 製造のための、酸化体イオンの電気化学的再生と結合したより早い且つより電気 的効率の良い間接電気化学的方法に関する。
1IJL止 メタンスルホン酸水溶液中のセリウム(IV)イオンを用いた有機化合物の間接 酸化はクレーその他による米国特許第4,639゜298号、第4,670.1 08号及び第4.701.245号明細書に開示されている。この領域の研究を 更に記載した論文としては、「J。
^pp1. Electrochem J 90 (2)、1990年、209 頁のスボニッッ氏らによるMediated Electros nthesi s With CeriumTV In Methanesulfonic A c1dがある。これらの文書には、反応体化合物をメタンスルホン酸セリウム( IV)溶液に接触させることにより、芳香族及びアルキル置換芳香族化合物をカ ルボニル含有化合物に酸化するために、メタンスルホン酸セリウム及びメタンス ルホン酸水溶液を用いる利点が詳述されている。
本発明は、これらの文書に記載された方法の速さ及び効率の改良に関する。
前記先行技術中に記載の研究以前には、このような有機化合物の酸化に対するセ リウム(IV)イオンの使用は効果がなかつた、というのは、電気化学的に再生 される比較的濃縮した酸化溶液を作ることができないからである。硫酸セリウム (IV)及び硫酸セリウム(I[I)は溶解度が制限され、電気化学的再生方法 を効果ながらしめる。
多環式の芳香族炭化水素とのセリウム(IV)溶液の反応が知られ、研究者は実 験室からパイロットプラントにかけてこの方法を実施したが、商業的成功を収め た者はいなかった。この方法の資本経費及び運転費は投下される投資に対して魅 力がなさすぎた。これらの問題は、セリウム(IV)イオンが1モルより少ない 、非常に希釈化した溶液を用いた方法を実施するために、要求されるプラント規 模から生じる。電流効率は低(、プラント容器は多量の電解質を入れるために大 きいことが必要となる。
クレー氏等により記載されたメタンスルホン酸の使用はある程度この問題をとら えたものである、というのは操作濃度をセリウムで0.1〜5モルに上げたから である。操作溶液は再生段階を必要とする前により多くの有機基質を酸化できる ので、この方法は工程を便利に改良する。招来した報いは電解質が高価なことと 分離手順が複雑化したことである。加えて、この先行技術の方法は望む程エネル ギー効率が良くない、このように、先行技術の酸化反応は実際的な改良をもたら したが、酸化方法が商業化のために充分な早さ、電気化学的効率で実施できる必 要性が依然残る。
主jJ口l木 先行技術の方法の欠点を克服するために、本発明は芳香族又はアルキル芳香族化 合物を含有する反応体流れと4価セリウムの反応からなり、高度の攪拌を伴う、 芳香族及びアルキル芳香族化合物を酸化してカルボニル含有反応生成物を生成す る方法である、最も好ましい実施態様では、固定混合器は、反応混合において乱 流を形成するために使用される。続く反応では、還元されたセリウムイオンは毎 秒0.25メートルより大きい陽極に対する溶液速度で乱流に近いか乱流条件下 でセル中で電解質的に再生される。電気分解を達成するための最も好ましいセル 構造は前記条件下で陽極液が陽極を通って流れることを許容する陽極配置及び陽 極及び陰極区画室の分離を必要としない還元領域陰極を使用する。このように独 特な操作条件と、セル設計が結合してエネルギー効率を改善し、セル構造自体の コスト低下を達成した。セリウム再生とカリウム/有機の結合した反応手順は充 分な電気化学的効率を有し、例えばナフトキノンの製造のような有機酸化法によ る商業的、連続的製造を合理的に行なうことができる。
図U11皿 本発明方法は添付図面を参照することにより一層理解できるであろう。
図1は本発明の方法の実施するための操作容器の配置を示す図である。
図2は本発明の方法の連続操作に適当な容器の選択的配置を示す図である。
図3は本方法の電気分解段階の電流効率におけるセリウム(III)濃度に対す る実測変化効率を示すグラフ図である。
図4は本発明に有用なセル構造/電極配置の関連する詳細図である。
1里二皇隻二旦皇 本発明の基本的な方法は、いわゆる「間接」酸化法を用いる、2つの別個の段階 で生じる。第1に、セリウム(rt/)イオンの酸性水溶液を用いた有機反応体 材料の酸化は、キノン又は他のカルボニル基含有化合物のような酸化された有機 化合物及び還元されたセリウム(III)イオンである生成物を生じる。水はこ の方法における酸素源である。第2に、3価のセリウムイオンの4価のセリウム イオンへの再酸化は電気化学セルの陽極にて生じる。
酸化溶液を(ナフタレンのような)有機基質と混合するので、次の反応が生じる 。
6Ce”+2HzO+ −−一−> 6B” + 6Ce”セルの陽極での再生 反応は 6Ce”−6e −−−−−−−> 6 Ce”4であり、陰極での反応は 6H0−6e −−−−−−−> 3 lbである。
電気分解が進んで、セリウム(III)イオンはセリウム(IV)イオン、即ち 強酸化剤に転化される。再生が進んで溶液の酸度が低下する°ことに注目すべき である。
電気化学的再生段階において、本方法の物質移動特性における違いは、高電流効 率を維持するにもかかわらず、電極表面積の使用が意外にも少ないことであった 。このことは、2つの方法において、セル設計を簡易化し、コストを下げる。第 1に電極はより小さく、より低いコストである。第2に本発明の最も好ましい形 では、セルは適所にイオン交換膜を用いることなく効率的に操作でき、コストを 下げ、全セル電圧を下げて操作できる。
見い出された違いは経験による式を用いて計夏したセリウム(I[[)イオンの 所定濃度における予想される制限電流密度(即ち、レドックス反応の物質移動が 制限され、混合の増加を伴う反応速度の増加が予想されない電流密度)は所定の セリウム(III)イオン濃度における測定した電流密度及び電流効率の関係に 適合しない。故に、電気分解段階は物質移動が制限されることを通常に予想でき るが、実際にはないことが判明した。以下の実施例1〜4がこの効果を定量化し た。
土ユ文涛ユl工j1」ll止ヱ再生上 1簾斑上 メタンスルホン酸625重量部を水(400d)中の炭酸セリウム(IV)(2 75部)の懸濁液にゆっくり添加した。すべての酸を添加した後、二酸化炭素の 発生が止んだ、水を付加して溶媒和を完全にした。メタンスルホン酸(3,5モ ル)中のメタンスルホン酸セリウム(II[) (1,0モル)の得られた溶液 を、ステンレス鋼のプレート陰極と白金化チタンメツシュの陽極からなる電気化 学セル中の陽極液溜めに移す(電気セルABによる電気合成型)、メツシュ陽掻 を、1枚のチタンシートに固定した1枚のエキスバンドチタンメツシュを白金で 被覆して作った0図4Aはこの装置を表わす、陽極表面の乱流促進の特徴を図4 Bに示す、この装置は「電気合成」セルのための平板電極と1枚の白金化チタン メツシュからなり(ICIケミカルズアンド ポリマーズ製)、これは、セル枠 内に保持される際、スポット溶接(あるいは類似の方法)を用いであるいは簡単 な機械的接触によりプレート電極に固定される。
同様の溶液を陰極液溜めに移動し、2つの電解液をセルを通って再循環した。陽 極と陰極の間に配置したナフィオン” (Nafton”)製のイオン変換膜に より2つの循環電解液の混合を防止する。電解液を240分間循環する間、16 0アンペアの電流、陽極及び陰極において4000アンペア/■2の電流密度に 等価をセルに通した。セル電圧は3.8ボルトであった。電気分解の終りに、0 .66■ol/1のセリウム(IV)イオンCe”濃度を有するメタンスルホン 酸セリウム(rV)の溶液を電解液中に生成した。この実験のクーロン効率は9 3%であった。この実験中の温度は60°Cに維持された。
!1班I 実施例1で使用したのと同様の溶液を、唯一の溜めからの電解液の1つの流れを 使用するセル中にて電気分解した。イオン交換膜(図4A)をセルガード” ( Celgrd”)ポリプロピレン製の多孔性ダイヤフラムにより置換し、陰極表 面が濡れることを許容した。セルガード膜の外部抵抗及び陰極まわりの条件を変 えたために、セル電圧は4.2ボルトであった。しかし、電気分解条件は実施例 Iと全詳細において等しい、120分間の電気分解の後、0.44メタンスルホ ン酸セリウム(II/)の溶液を90%の電流効率にて形成し、210分後には 濃度0.66モル、電流効率71%°であった。
皇嵐班主 セルガードダイヤフラムを除去し、陰極を平坦プレートに比べて表面積を減じた 、即ち平坦プレートのせいぜい1/3の表面積(好ましくはより少ない)を有す る、エキスバンドメツシュで置換した以外は実施例2と同様に電気分解をおこな った。
陰極のメツシュの内側測定値は3.5c■X1.6cmである。320アンペア の電流を90分間通し、その後溶液は0.42モルのセリウム(IV)イオンを 含んでいた。セリウム(III)イオンからセリウム(IV)イオンへの電気分 解に対する電流効率は91%であった。更に30分間野電気分解の後、セリウム (IV)イオンの濃度は0.51モルに上がり、この時点の電流効率は84%で あった。
4 の の 払と ゛ との 実施例1と同様の電気分解をより低い電流密度(2KA/m”)、平面白金化チ タン陽極にて、スクリーンを用いることなく行なった。この実験ではセリウム( IV)中のセリウム(III)の20%転化後電流効率は90%であり、50% 転化では70%であった。この電気化学セルの公の経験上の相関によると、5h −5,57Re”Sc””であり、ここで、Re寓vl/u Sh−KLI/D Sc−u/D 1−2 bh/(b+h)であり、 h=2.5mm (陽極膜ギャップ) b酩0.144繻(電極の幅) Dcsllll+ −10−IoIll”/ S (拡散係数)この情報を用い ると、予想物質移動制限電流密度を式%式% /−8における値である)を用いて計算可能である。物質移動係数KLは前述の 相関から計算でき、これにより物質移動制限電流密度を計算できる。
この場合、0.5Mのメタンスルホン酸セリウム(III)の濃度で、予想(計 算)物質移動制限電流密度は2.5 kA/m”であり、1.0Mでは制限電流 密度は5kA/m”である、故に、実験は計算した物質移動制限電流密度より十 分低い値にて行ったので、これらのセリウム(III)の濃度にては上記の実験 的に決定された電流効率は100%でないことは予期しないことである。陽極の 表面積(実施例1における如く)を増加した際、図3に示すように、より高い電 流密度であっても物質移動の影響がまだあることは更に驚く。
図3は、セリウム(I[I)の濃度の効果を電流効率に基づき、セルを通る種々 の流量にて表わした。セルの特別な配置に基づき、以下の溶液速度が示された容 積流量と相関する。
流量(j!/5in) 速度(−/ s )3 0、14 5 0.23 6 0.28 10 0.46 示された速度にて、セルは約0.28の溶液速度にて乱流に近づくことがわかる 0例外的に同定される物質移動はおよそこの溶液速度にて生じはじめると判断す る。最も重要であると判明したことは、流れ条件が乱流に近いか又は乱流であり 、溶液速度が電極表面に高速で物質移動を生じさせるに十分な大きさであるとい うことである0図3かられかるように、流れが0.28 m/secより遅く陽 極を通過するなら、いかなるセリウム濃度にても電流効率はセルの経済的操作を 維持するのに必要なレベルより下に下がる。従来技術の装置は約0.15 s/ secの最大溶液速度にて操作できることを知ることができる。
フ キノンの 実】111 実施例1記載と類似の電気分解を180分後に停止し、0.43Mメタンスルホ ン酸セリウム(IV)溶液を電流効率95%で生成した。この溶液の一部分(1 000部)を図1の実験反応器りに移した。この溶液を60℃に再加熱した。こ の時点で、1.2−ジクロロエタン中に溶解したナフタレンの0.2モル溶液の 250部をタンクFからセリウム(rV)溶液に添加し、この混合物を機械的パ ドルブレード攪拌機を用いて2200rp驕にて攪拌した。
5分後ナフタレンのナフトキノンへの酸化は反応から得られたアリコートの分析 により99.3%であった。ナフトキノンへの選択性は98%であると計算され 、95%のセリウム(IV)溶液に対する全電流効率であった。更に5分後反応 を停止し、転化を完結した。溶媒から回収された生成物の融点決定では124〜 6℃が得られ、122〜124℃の融点の市販製品と比べると、非常に純粋なナ フトキノン製品であることを示した。
6゛1″ 実施例1記戦の溶液の第2部分を図2の溜めAに移した。溜めBには1.2−ジ クロロエタン溶媒中のナフタレン0.2モル溶液が入っている。実施例1に記載 したセリウム(IV)溶液の付加的な量を反応器に添加できるようにパイロット プラントを組み立てた0反応器中の溶液を60℃に加熱し、溜めBから溶液の0 .254!を反応器に添加した。この時点で、ポンプ1,2及び3を作動開始し 、有機相(1,2−ジクロロエタン中のナフタレン)対水性相が4:1の一定比 にて滞留時間20分を達成できるようにポンプ速さを調整した0図2の分離器で は、反応生成物は上に有機相を有する2つの別個の分離した相を形成した。
分離器が3/4満たされた時点で、ポンプ4及び5を作動開始し、分離器中で一 定のレベルを維持すべくセットした0分離器の底部の水性セリウム(II[)C e″3f4液を溜めCに汲み出し、ナフトキノン生成溶液を溜めDに汲み出した 。数時間の連続操作の間、この方法で得られたアリコートの分析結果はナフタレ ンのナフトキノンへの90%の転化、ナフトキノンの収率96%、セリウム選択 性96%を示した。これらの実験では、攪拌を1200rp−に減じた。
7″1′ 装置(図1)は電気化学セルA、陽極液及び陰極液のための再循環液留めB及び C、ジャケットを有する化学反応器D、相分離器E、及び各々供給、生成溜めF 及びGを含む、メタンスルホン酸セリウム(I[[)溶液10.43モル)を調 製してDに移し、更にメタンスルホン酸セリウム(III)を実施例1のように 調製する。予gIi電気分解したセリウム(■)/セリウム(IV)溶液(0, 1310,87M )の溶液を已に移した。1.2−ジクロロエンタに溶解した ナフタレン(0,2M)をFに移した。溜めB、C及びD中の溶液を予備加熱し て、操作温度60’Cにする。操作温度が安定すると、陽極液及び陰極液の溶液 をセルを介して循環させる。電流320アンペア(1m”当り電流密度4000 アンペアに等価)を制御整流器電力供給ユニットから適用した。同時にナフタレ ン溶液、ナフタレンの0.2モルを1.2−ジクロロエタン中に溶解した、をD に移して攪拌を開始した(600rp曽)0次に、陽極液をポンプで溜めFから Dに溶液といっしょに汲み上げた。DとEは静水圧的に連結されているので、こ れらは等レベルに維持される。Eからメタンスルホン酸セリウム(IV)溶液を 、D及びE中のレベルを一定に保つ速さで汲み上げた。適当な相分離を反応器内 で観察したとき(5〜10分)、有機相をGに移した。滞留時間33分を維持す る速さで、溶液をD及びEに移した。実験を6.5時間行った。この電気分解を 通して、セリウム(Il[)イオンからセリウム(IV)イオンへの酸化に対す る電流効率を90〜99%に保ち、ナフタレンからナフトキノンへの転化に対す るクーロン効率は94.5%であり、ナフトキノンの化学収率は90〜100% で変化した。
8°−の 攪拌をより高くした(700rpm)以外は例7と類似の条件下で、滞留時間は 25分であった。電流効率及びナフトキノン収率はそれぞれ93%及び91%で あり、ナフタレン転化は98%であった。
実施例1からの溶液を40 ffi/hの速さで104!/hの速さの1.2− ジクロロエタン中の0.2 Mナフタレンの溶液と共に、ポンプで汲み上げ、長 さ12cm、断面積0.69cm”の固定混合反応器中に入れた0反応器の出口 にて、ナフタレンの10%を100%の選択性でナフトキノンに転化した。この 反応には乱れ促進器を有する押出流れ反応器を使用することが好ましく、これは 、均一な粒子サイズを作り、反応を行うための付加的な表面を作る。
1−抜 従来の方法と比較して、本発明により達成される利点を表1に示す。
l−上 利点 先行技術 本発明研究 注釈 を霧#&)(4kA/+a’) 5−6fJLz) 3.5ホJLz)実施例1 では、膜に適合した分割セルを用いて、クーロン効率及びセル電圧を組みあわせ て4KA/m”にて3.5 kll/に、のセリウム(IV)酸化のための方法 に対するエネルギー消費、どんな先行技術よりも優れた43%より良好な数字を 達成する。このことは、セルを遣る流れの増加及び小さいセルギャップ(この実 施例では5++n)により達成される。93%の高電流効率をより小さい電極で 達成した。実験2及び3では、膜を除去し、これによりポンプ及び電解液タンク を含んで装置を再循環する陰極液の必要がなくなり方法を簡素化した。又、この ことは、電解液のメンテナンスを簡素化し、イオン及び水の移動のために溶液が アンバランスになるレドックス装置の問題をなくした。
実施例3では分離器を完全に除去し、減少した表面積の陰極はセリウム(IV) イオンの減少を抑制する。セル電圧は最少値になり電流効率の損失はわずかなの で最高の経済性を与える。特別な電極をこの役目のためにテストしチタン金属、 マグネリ(Magneli)相チタン亜酸化物及びバスタロイC(Hastal loy C)を含む。
実施例4は例外的に同定された物質移動を強調しており、これにより電気分解中 セル内の乱れ及び溶液速度が増加し、セリウム(III)イオンからセリウム( IV)イオンへの転化を改良するが、経験上のセル計算値は明らかに予期される このような増加を示さない、実施例4で記載の通り、図3がこの効果を示す。
又この方法は、従来技術で記載した条件下でより少ない陽極メツシュの使用を許 容し、これにより陽極のコストが低くなる。
この方法の第2の部分では、有機物質とセリウム(IV)溶液の混合に関し、ク ロロベンゼン、ジクロロエタン又はベンゼンのような種々の水工混合性の溶媒に ナフタレンを溶かす主な場合では、反応速度は2相の混合の程度に依存した0重 要な改良は方法のこの部分にてなされた。しかしながら、混合の程度は、2つの 不混合性溶媒の過混合は非常に扱いにくい乳濁液の形成に至り得ることを知るこ とによって制限される。
2つの反応体溶液の混合における剪断応力を増加すること(このことはより早く 攪拌したり、又は混合タンクのバッフルの設計により達成される)により3つの 因子による完全な反応のための時間が減少することがわかる。乳濁液の形成は、 懸濁した固体を含まない溶液を確実にすることにより処理可能な最小限に維持さ れる。この目的のため、溶液はろ過してから混合される。形成された乳濁液はろ 過により破壊できる。この発見の正味の結果は、反応時間が、すべてのナフタレ ンがナフトキノンに転化される間である10分という全残留時間を与えるために 、連続方法が管状反応器又は反応器のカスケードを用いて設計されうるレベルに 今や達したことである。最も好ましい形では、これは上記実施例9に示したよう に、乱流促進器を有する押出流れ反応器を用いて達成される。
本発明はナフトキノンの生成に関して記載したが、本発明は実際の適用はより広 いことに注目すべきである。当業者には理解できるが、例えばアントラセンから アントラキノンへの反応、とレンからピレンキノンへの反応及び、ニトロ、メチ ル及びパラフィン鎖のような基を有する同様の反応体等信の多くの反応が同様に より効果的である。セリン電気合成法はキノン生成と関連づけてのみならずセリ ンを酸化剤として効果的に使用できるどんな方法においても、例えば、廃水中の 有毒(染料残り、農薬、動物の副産物等)と思われる有機材料の酸化破壊におい て使用でき、その後再生する。
でリウA(=)り裏皮 一■===目−一二 一ユ===〒l 41f:J 国際調査報告 1++1..1−lb ”””^93100037国際調査報告

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.陽極の表面にて充分な大きさの乱流を起こして、前記表面にて物質移動を増 大させる段階を含んでなる、電気化学セル(A)の陽極にてセリウム(III) イオンをセリウム(IV)イオンに酸化する方法。
  2. 2.前記陽極の表面近傍に固定乱流促進機を位置させることにより溶液の流れを 妨げることにより前記乱流を起こす請求項1記載の方法。
  3. 3.陽極に対して毎秒約0.28メートルより大きな速さにて前記陽極及び前記 促進機の表面を通過して前記溶液を流すことにより前記乱流を起こす請求項2記 載の方法。
  4. 4.(a)陽極区画室及び陰極区画室を有する電池(A)、(b)少なくとも前 記陽極区画室を通ってセリウム(III)及びセリウム(IV)を含んでなる電 解質液を流す手段、(c)前記陽極区画室内に配置された陽極及び前記陽極を電 源に連結する手段、 (d)前記陽極区画室内に前記陽極に隣接して配置された乱流促進手段、及び (e)前記陰極区画室内に配置された陰極及び前記陰極を電源に連結する手段 を含んでなるセリウム(III)をセリウム(IV)に酸化する電気化学セル。
  5. 5.前記陽極の表面上に配置された乱流促進機を更に含む請求項4記載のセル。
  6. 6.前記陽極が導電性シートからなり、前記乱流促進機がエキスパンドメッシュ の単一シートからなる請求項4記載のセル。
  7. 7.前記陽極区画室及び前記陰極区画室を分離するイオン交換膜を更に含む請求 項4記載のセル。
  8. 8.区画室、流れ手段、陽極及び陽極連結手段、陰極及び陰極連結手段から本質 的になり、陰極が還元領域陰極である請求項4記載のセル。
  9. 9.陽極及び促進機を百金化チタンから作る請求項6記載のセル。
  10. 10.乱流促進機を含有する押出流れ反応器中で反応体及びセリウムを反応させ る段階を含んでなる、高度の混合を用い、反応体と4価のセリウムとの反応を含 み、芳香族及びアルキル芳香族反応体を酸化してカルボニル含有反応生成物を形 成する方法。
JP5515196A 1992-03-04 1993-02-01 セリウム(▲iii▼)イオンをセリウム(▲iv▼)イオンに酸化する方法、これを利用したカルボニル含有反応生成物の製造法および電気化学セル Expired - Lifetime JP2751969B2 (ja)

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